KR20180079403A - 전도성 루프를 갖는 무선 주파수 회로 - Google Patents

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KR20180079403A
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앤드루 피 보니파스
로널드 디 제스메
재원 김
브록 에이 헤이블
니콜라스 지 아멜
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 발명의 적어도 일부 양태들은 전도성 루프 및 복수의 공진 회로들을 포함하는 RF 디바이스를 특징으로 한다. 복수의 공진 회로들의 각각은 유효 결합 계수를 가지고 전도성 루프에 전자기적으로 결합된다. 유효 결합 계수는 복수의 공진 회로들의 각각이 특유의 공진 주파수를 갖도록 상대적으로 낮은 절대값을 갖는다.

Description

전도성 루프를 갖는 무선 주파수 회로
본 개시 내용은 전도성 루프(들)을 갖는 무선 주파수(RF) 회로 또는 디바이스에 관한 것이다.
본 개시 내용의 적어도 일부 양태들은 폐쇄 전도성 루프 및 복수의 공진 회로들을 포함하는 RF 디바이스를 특징으로 한다. 복수의 공진 회로들의 각각은 유효 결합 계수를 가지고 전도성 루프에 전자기적으로 결합된다. 유효 결합 계수는 복수의 공진 회로들의 각각이 특유의 공진 주파수를 갖도록 상대적으로 낮은 절대값을 갖는다.
본 개시 내용의 적어도 일부 양태들은 환경 조건들을 검출하도록 구성된 감지 유닛 및 RF 회로를 포함하는 센서 시스템을 특징으로 한다. RF 회로는 폐쇄 전도성 루프 및 유효 결합 계수를 가지고 전도성 루프에 전자기적으로 결합된 하나 이상의 공진 회로들을 포함한다. 하나 이상의 공진 회로들 중 적어도 하나는 감지 유닛에 전자기적으로 결합되고 감지 유닛으로부터 감지 신호를 수신하도록 구성된다. RF 회로는 감지 신호를 전송하도록 구성된다.
첨부 도면은 본 명세서에 포함되어 그의 일부를 구성하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 이점 및 원리를 설명한다. 도면에서,
도 1a는 RF 디바이스의 하나의 예의 개략도이고;
도 1b는 공진 주파수의 그래프를 도시하고;
도 1c는 서로 근접하게 배치된 제1 및 제2 유도성 소자들을 도시하고;
도 1d는 도 1c에 도시된 회로의 자기장을 도시하고;
도 1e는 도 1c에 도시된 제1 및 제2 유도성 소자들 간의 결합을 변경하기 위한 전도성 루프로서의 제3 유도성 소자를 도시하고;
도 1f는 도 1e에 도시된 회로의 자기장을 도시하고;
도 1g는 도 1c에 도시된 제1 및 제2 유도성 소자들 간의 결합을 변경하는 전도성 루프의 다른 예를 도시하고;
도 1h는 도 1g에 도시된 회로의 자기장을 도시하고;
도 2a 내지 도 2g는 전도성 루프 및 공진 회로들의 안테나를 갖는 RF 디바이스들의 다양한 예들을 도시하고;
도 2h는 RF 디바이스의 분해도를 도시하고;
도 2h-1 및 도 2h-2는 도 2h에 도시된 RF 디바이스를 다양한 구성으로 도시하고;
도 3a 내지 도 3h는 결합이 각각의 개별 공진 회로에 대한 전도성 루프의 출력 신호에 영향을 줄 수 있는 방식을 도시하는 공진 주파수 그래프들이고;
도 4a는 RF 디바이스의 개략도이고;
도 4b는 다양한 조건 하의 공진 회로들의 공진 주파수를 도시하고;
도 5는 전도성 루프를 사용하는 감지 디바이스의 하나의 실시예를 도시한다.
도면들에서, 유사한 도면 부호들은 유사한 요소들을 지시한다. 일정한 축척으로 작성되지 않을 수 있는 전술된 도면이 본 개시 내용의 다양한 실시예들을 개시하지만, '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'에 언급된 바와 같이, 다른 실시예들이 또한 고려된다. 모든 경우에, 본 개시 내용은 현재 개시되는 개시 내용을 명백한 제한으로서가 아니라 예시적인 실시예들의 표현으로서 기술한다. 본 개시 내용의 범주 및 사상에 속하는 많은 다른 변형 및 실시예들이 당업자에 의해 고안될 수 있음이 이해되어야 한다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 특징부 크기, 양, 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 명세서에 개시된 교시를 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 종점(endpoint)에 의한 수치 범위의 사용은 그 범위 내의 모든 수(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함) 및 그 범위 내의 임의의 범위를 포함한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는, 그 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시 대상을 갖는 실시예들을 포괄한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 용어 "또는"은 일반적으로, 그 내용이 명백히 달리 지시하지 않는 한, "및/또는"을 포함하는 의미로 사용된다.
"하부", "상부", "바로 아래에", "아래에", "보다 위에", 및 "상부에"를 포함하지만 이에 한정되지 않는 공간적으로 관련된 용어는 본 명세서에 사용되는 경우, 소자(들)의 서로에 대한 공간적 관계를 기술하기 위한 용이한 설명을 위해 사용된다. 그러한 공간적으로 관련된 용어는 도면에 도시되고 본 명세서에 기술된 특정 배향에 더하여, 사용 또는 작동 시의 디바이스의 상이한 배향들을 포괄한다. 예를 들어, 도면에 도시된 대상이 반전되거나 뒤집히면, 다른 요소들 아래에 또는 바로 아래에 있는 것으로 이전에 기술된 부분들이 그 다른 요소들 위에 있게 될 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 예를 들어, 요소, 컴포넌트 또는 층이 다른 요소, 컴포넌트 또는 층과 "일치하는 계면", 그 "상에" 있는, "에 연결되는", "에 결합되는" 또는 "접촉하는"을 형성하는 것으로서 기술될 때, 그것은 예를 들어, 직접적으로 특정한 요소, 컴포넌트 또는 층 상에 있거나, 직접적으로 연결되거나, 직접적으로 결합되거나, 직접 접촉될 수 있거나, 또는 개재 요소, 컴포넌트 또는 층이 특정한 요소, 컴포넌트 또는 층 상에 있거나, 연결되거나, 결합하거나, 접촉될 수 있다. 예를 들어, 요소, 컴포넌트 또는 층이 다른 요소 "바로 위에" 있거나 "직접적으로 연결"되거나, "직접적으로 결합"되거나, "직접 접촉"하는 것으로 지칭될 때, 예를 들어 개재 요소, 컴포넌트 또는 층은 없다.
본 개시의 일부 양태들은 RF 인터페이스를 통해 전력을 수신할 수 있는 무선 주파수(RF) 인터페이스 디바이스에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, RF는 특정 통신 프로토콜을 활용할 수 있는 원거리 통신 및 근거리 통신을 포함하는 통신 및 전력을 제공할 수 있는 광범위한 종류의 무선 통신 인터페이스들을 지칭하는데 사용된다. 근거리 통신은 NFC 포럼 산업 협회(NFC)에서 정의한 일련의 표준 프로토콜들을 사용하는 근거리 통신을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
전도성 루프는 판독기와 하나 이상의 공진 회로들을 포함할 수 있는 RF 디바이스 간의 자기 결합을 개선하는 데 사용될 수 있다. 전도성 루프를 사용하면 판독기와 RF 디바이스 간의 결합을 제어하고, 판독 범위를 개선하며, 판독 각도에 대한 의존성을 감소시키고, RF 디바이스의 전도성 및 자기 판독기 컴포넌트들 간의 불리한 상호작용을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 전도성 루프는 RF 디바이스와 결합하는 제1 부분 및 판독기와 결합하는 제2 부분을 포함할 수 있으며, 제2 부분과 제1 부분은 이격되어 판독기가 RF 디바이스의 동작에 영향을 미치지 않도록 한다. 일부 실시예들에서, 전도성 루프는 결합된 RF 디바이스의 자속을 우선적으로 지향시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 전도성 루프는 공진 회로들의 각각이 특유의 공진 주파수를 갖도록 상대적으로 낮은 결합으로 다수의 공진 회로들에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 결합은 전도성 루프에 의해 야기된 주파수 이동이 자유 공간 내의 원래 주파수의 10% 미만이 되도록 낮다.
도 1a는 RF 디바이스(100)의 하나의 예의 개략도이다. RF 회로(100)는 폐쇄 전도성 루프(110) 및 다수의 공진 회로들(122, 124 및 126)을 포함한다. 복수의 공진 회로들의 각각은 유효 결합 계수를 가지고 전도성 루프(110)에 전자기적으로 결합된다. 유효 결합이란 다른 회로(들)의 영향을 받는 결합을 포함하는, 두 개 회로들 간의 자기 결합을 지칭한다. 예를 들어, 공진 회로(122)와 전도성 루프(110)의 유효 결합은 전도성 루프(110) 및 다른 공진 회로들(124 및 126)의 영향을 설명한다. 유효 결합 계수는 결합 정도의 수치 표현이며 -1 내지 1의 범위 내에 있다. 유효 결합 계수의 값은 다수의 인자들, 예를 들면, 전도성 루프의 형상 및 크기, 공진 회로에 대한 전도성 루프의 상대 위치 및 배향 등과 관련된다. 유효 결합 계수의 절대값은 도 1b에 도시된 바와 같이, 복수의 공진 회로들(122, 124 및 126)의 각각이 특유의 공진 주파수를 갖도록 비교적 낮을 수 있다.
공진 회로(122)는 인덕터(L1) 및 커패시터(C1)를 포함한다. 공진 회로(124)는 인덕터(L2) 및 커패시터(C2)를 포함한다. 공진 회로(126)는 인덕터(L3) 및 커패시터(C3)를 포함한다. 도시되지 않은 판독기의 판독기 안테나(150)는 RF 디바이스(100)로부터 전파된 RF 신호들을 획득하도록 구성된다. 판독기 안테나(150)는 유도성 루프(110)와 공진 회로들(122, 124, 및 126)의 낮은 유효 결합의 설계를 이용하여 이들 세 개의 공진 회로들의 각각의 공진 주파수를 판독할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진 회로들(122, 124 및 126)의 각각은 자유 공간 내의 제1 공진 주파수 및 전도성 루프(110)에 의해 변경된 제2 공진 주파수를 갖는다. 일부 경우들에서, 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수 사이의 주파수 이동은 제1 공진 주파수의 10% 미만이다. RF 디바이스는 복수의 신호들을 전파하도록 구성되며, 복수의 신호들의 각각은 특유의 공진 주파수를 갖는 복수의 공진 회로들 중 하나에 대응된다.
일부 실시예들에서, 전도성 루프(110)는 복수의 공진 회로들(122, 124 및 126)에 의해 생성된 복수의 신호들을 안내 및 변경한다. 일부 실시예들에서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.5 미만이다. 일부 경우들에서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.4 미만이다. 일부 경우들에서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.1 미만이다. 일부 경우들에서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.05 미만이다. 일부 경우들에서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.02 미만이다. 일부 경우들에서, 복수의 공진 회로들의 각각은 인덕터 및 커패시터를 포함한다.
일부 실시예들에서, 공진 회로(L1, L2, 및/또는 L3)의 인덕터는 전도성 루프(110)에 전자기적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 공진 회로(C1, C2, 및/또는 C3)의 커패시터는 전도성 루프(110)에 전자기적으로 결합된다. 일부 실시예들에서, 공진 회로(L1, L2, 및/또는 L3)의 인덕터는 안테나이다.
전도성 루프(110) 및 공진 회로의 안테나는 다양한 배열들을 가질 수 있으며, 이는 아래에서 보다 상세히 설명된다. 일부 실시예들에서, 전도성 루프(110) 및 공진 회로(122, 124 및/또는 126)의 안테나는 일반적으로 동일한 평면에 있다. 일부 실시예들에서, 전도성 루프(110) 및 공진 회로(122, 124 및/또는 126)의 안테나는 상이한 평면들에 있다. 일부 경우들에서, 전도성 루프(110)는 일반적으로 제1 평면에 있고, 안테나는 일반적으로 제2 평면에 있으며, 제1 평면과 제2 평면 사이의 각도는 0 초과이다.
전도성 루프(110)는 여러 가지 방법들 중 임의의 방법으로 형성될 수 있다. 하나의 방법은 제조 중에, 기본 공진 회로 구조를 제조하는 데 사용되는 것과 동일한 동작들을 사용하여 전도성 루프(110) 및 공진 회로(122, 124 및/또는 126)를 형성하는 것이다. 일부 구현예들에서, 전도성 루프(110), 공진 회로(122, 124 및/또는 126) 및 판독기 안테나(150)는 동일한 제조 공정 중에 제조될 수 있다. 이러한 구현예들에서, 이들 컴포넌트들 간의 결합은 상이한 프로세스들에서 제조된 컴포넌트들보다 더 잘 제어될 수 있다. 회로 형성 작업들의 예들은 금속 박판의 다이-커팅 또는 패터닝, 전도성 금속들의 전기 도금, 전도성 잉크들의 인쇄, 후속 가열 또는 건조 등에 의해 전도성 상태로 환원되는 전구체 재료들(예컨대, 금속-유기 화합물)의 인쇄, 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
RF 디바이스(100)는 전자기 방사선 방출에 대한 정부 규정에 의해 정의된 전자기 스펙트럼의 대역에서 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, RF 디바이스는 100 ㎒ 미만의 주파수에서 동작한다. 일부 경우들에서, RF 디바이스는 300 ㎒ 미만의 주파수에서 동작한다. 예를 들어, RF 디바이스(100)는 50 ㎒를 중심으로 하는 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 일부 응용들에서, RF 디바이스(100)는 낮은 주파수, 예를 들어 500 ㎑에서 동작할 수 있다. 일부 경우들에서, RF 디바이스(100)는 300 ㎑ 내지 3 ㎒ 범위의 주파수에서 동작할 수 있다. 일부 경우들에서, RF 디바이스(100)는 30 ㎑ 내지 300 ㎑ 범위의 주파수에서 동작할 수 있다.
도 1c는 예를 들어, 그 사이에 1 cm의 공간을 가지고 서로 근접하게 배치된 제1 및 제2 유도성 소자들(122C, 124C)을 도시한다. 결합은 도 1c에 도시된 바와 같이, 유도성 소자(124C)의 자기장에 영향을 미치는 유도성 소자(122C)의 자속의 일부이며, 유도성 소자들의 기하학적 구조로부터 결정된다. 유도성 소자들은 용량성 소자와 통합되어 공진 회로를 생성할 수 있다.
도 1e는 제1 및 제2 유도성 소자들(122C, 124C) 간의 결합을 변경하기 위한 전도성 루프로서의 제3 유도성 소자(110E)를 도시하며, 여기서 결합은 제1 및 제2 유도성 소자들(122C, 124C)의 기하학적 구조의 변화없이 변경된다. 도 1f는 유도성 소자들(122C, 124C) 및 전도성 루프(110E)의 자기장을 도시한다. 도 1d와 비교하여, 유도성 소자들(122C, 124C)의 결합이 변경되어 있다. 이 능력은 예를 들어, 두 개의 유도성 소자들 간의 더 높은 결합이 필요하지만, 두 개의 유도성 소자들 간의 기하학적 구조가 시스템 요구사항에 의해 고정되는 일부 응용들에서 매력적이다.
위에서 기술한 바와 같이, 두 개의 유도성 소자들을 포함하는 시스템의 기하학적 구조가 공지되어 있는 경우, 유도성 소자들 간의 결합은 실험적으로 측정되거나 모델링될 수 있다. 유도성 결합 계수는 모델링 결과로부터 다음에 의해 결정될 수 있다:
Figure pct00001
(1)
여기서, kI는 유도성 결합 계수이고, imag(Z12)는 Z12의 허수부(임피던스 행렬의 일부)이며, f는 주파수이고, L은 유도성 소자의 인덕턴스이다. 도 1g는 제1 및 제2 유도성 소자들(122C, 124C) 간의 결합을 변경하는 전도성 루프(110G)의 다른 예를 도시하며, 전도성 루프(110G)는 유도성 소자들과 중첩되는 일부분들보다 유도성 소자들 사이의 일부분에서 더 좁다. 도 1h는 유도성 소자들(122C, 124C) 및 전도성 루프(110G)의 자기장을 도시한다. 아래의 표 1은 두 개의 유도성 루프들(122C, 124C)의 인덕턴스가 1.45 x 10-6 H일 때, 도 1c, 도 1e 및 도 1g에 도시된 회로들의 10 ㎒에서의 결합 계수들의 비교를 제공한다.
[표 1]
Figure pct00002
도 2a 내지 도 2g는 전도성 루프 및 공진 회로들의 안테나를 갖는 RF 디바이스들의 다양한 예들을 도시한다. 도 2a는 RF 디바이스(200A)의 하나의 예의 평면도를 도시한다. 도 2b는 RF 디바이스(200A)의 측면도를 도시한다. RF 디바이스(200A)는 전도성 루프(210A) 및 공진 회로들(220A 및 230A)을 포함한다. 전도성 루프(210A)는 공진 회로(220A)의 안테나의 축(225A) 및/또는 공진 회로(230A)의 안테나의 축(235A)과 실질적으로 정렬되는 축(215A)을 갖는다. 즉, 전도성 루프(210A)의 축(215A)은 축(225A 및/또는 235A)과 실질적으로 평행하다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 전도성 루프(210A) 및 공진 회로들(220A, 230A)은 동일한 평면에 있지 않다.
도 2c는 공진 회로(220C)의 안테나의 축(225C) 및/또는 공진 회로(230C)의 안테나의 축(235C)에 대해 약 45도의 "오프셋 각도"의 축(215C)을 갖는 전도성 루프(210C)를 갖는 RF 디바이스(200C)의 다른 예를 도시한다. 오프셋 각도는 전도성 루프(210C)와 공진 회로들(220C, 230C) 간의 유효 결합을 감소시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 전도성 루프(210C) 및 공진 회로들(220C 및/또는 230C)은 동일한 평면에 있다. 일부 경우들에서, 전도성 루프(210C) 및 공진 회로들(220C 및/또는 230C)은 동일한 평면에 있지 않다.
도 2d는 RF 디바이스(200D)의 다른 예를 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, RF 디바이스(200D)는 전도성 루프(210D) 및 공진 회로들(220D 및 230D)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 전도성 루프(210D)는 도 2a 및 도 2c와 관련하여 전술한 바와 같은 직선형이 아닌 타원형을 갖는다. 일부 실시예들에서, 전도성 루프는 삼각형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 또는 다른 수많은 다변형인(multi-sided) 또는 평평한 변을 갖는(smoothly-sided) 폐쇄 형상들 중 임의의 것을 포함하여 사실상 임의의 다른 형상을 취하면서 여전히 결합 효과를 수행할 수 있다.
도 2e는 RF 디바이스(200E)의 또 다른 예를 도시한다. 이 예에서, RF 디바이스(200E)는 공진 회로들(220E, 230E, 240E) 및 전도성 루프(210E)를 포함한다. 공진 회로(220E)는 인덕터(222E) 및 커패시터(224E)를 포함한다. 공진 회로(230E)는 인덕터(232E) 및 커패시터(234E)를 포함한다. 공진 회로(240E)는 인덕터(242E) 및 커패시터(244E)를 포함한다. 도시된 예에서, 전도성 루프(210E)는 인덕터들(222E, 232E, 242E)의 각각의 일부분에 갈바닉(galvanically) 연결된다. 일부 경우들에서, 전도성 루프(210E)는 예를 들어 인덕터의 인덕턴스 루프의 10%에 갈바닉 연결된다. 대안적인 실시예들에서, 전도성 루프는 커패시터들의 각각의 일부분에 갈바닉 연결될 수 있다. 일부 경우들에서, 전도성 루프(210E)는 인덕터 또는 커패시터에 병렬로 또는 직렬로 연결될 수 있다.
도시된 바와 같은 일부 경우들에서, 전도성 루프(210E)는 공진 회로들에 결합되는 디바이스 부분(212E) 및 판독기 안테나에 결합되도록 구성되는 판독 부분(215E)을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 판독 부분(215E)은 판독기가 공진 회로들과 상호작용하지 않도록 디바이스 부분(212E)으로부터 예를 들어 5 mm 내지 50 mm 이격된다. 일부 경우들에서, 판독 부분(215E)은 판독기 안테나와 용이하게 결합되도록 응용예에 따라 배치될 수 있다.
도 2f는 RF 디바이스(200F)의 또 다른 예의 측면도를 도시한다. RF 디바이스(200F)는 전도성 루프(210F) 및 공진 회로들(220F 및 230F)을 포함한다. 전도성 루프(210F)는 215F인 투영면에 배치되고, 공진 회로(220F)는 225F인 투영면에 배치되고, 공진 회로(230F)는 235F인 투영면에 배치된다. 평면(225F)은 평면(215F)으로부터 각도(227F)를 가지고 분기된다. 평면(235F)은 평면(215F)으로부터 각도(237F)를 가지고 분기된다.
위의 예들은 두 개 이상의 공진 회로와 결합된 전도성 루프를 도시한다. 도 2g에 도시된 바와 같은 하나의 실시예에서, RF 디바이스(200G)는 하나 이상의 공진 회로들(220G) 및 폐쇄 전도성 루프(210G)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 전도성 루프(210G)는 두 개의 부분들 - 공진 회로들(220G)에 근접한 제1 부분(212G) 및 공진 회로들(220G)로부터 멀리 있는 제2 부분(215G) - 을 포함한다. 제2 부분(215G)은 제2 부분(215G)이 판독기 안테나와 결합되는 경우에 판독기의 컴포넌트들이 공진 회로들의 동작에 최소한의 영향을 미치도록 공진 회로들로부터 일정 거리를 두어 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 부분(212G) 및 제2 부분(215G)은 그 사이에 1 cm의 간극을 갖는다. 제1 부분(212G) 및 제2 부분(215G)의 각각은 본 명세서에 설명된 구성들 중 임의의 구성을 사용할 수 있다.
도 2h는 RF 디바이스(200H)의 분해도를 도시한다. RF 디바이스(200H)는 공진 회로들(220H, 230H) 및 폐쇄 전도성 루프(210H)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 전도성 루프(210H)는 4개의 부분들 - 공진 회로(220H)에 근접한 제1 부분(212H), 제2 부분(213H), 공진 회로(230H)에 근접한 제3 부분(214H), 및 제4 부분(215H) - 을 포함한다. 제4 부분(215H)은 제4 부분(215H)이 판독기 안테나와 결합되는 경우에 판독기의 컴포넌트들이 공진 회로들의 동작에 최소한의 영향을 미치도록 공진 회로들로부터 일정 거리를 두어 배치될 수 있다. 공진 회로들(220H, 230H)은 전도성 루프(210H)의 평면과 상이한 평면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 공진 회로(220H)는 접착제를 통해 제1 부분(212H)에 부착될 수 있다. 일부 경우들에서, 도 2h-1 및 도 2h-2에 도시된 바와 같이, RF 디바이스(200H)는 비틀어지고 구부러질 수 있는데, 224H에서의 측정 전압 대 222H에서의 인가 전압의 비에 의해 표시되는 결합 계수는 변경되지 않았다. 예로서, 222H에서의 인가 전압은 2V이고 224H에서의 측정 전압은 0.18V이다.
도 3a 내지 도 3h는 결합이 각각의 개별 공진 회로에 대한 전도성 루프의 출력 신호에 영향을 줄 수 있는 방식을 도시하는 공진 주파수 그래프들이다. 예들의 이러한 세트에서, 두 개의 공진 회로들(R1 및 R2)은 전도성 루프와 결합된다. 공진 회로(R1)는 자유 공간에서 14 ㎒의 공진 주파수를 갖고, 공진 회로(R2)는 자유 공간에서 18 ㎒의 공진 주파수를 갖는다. 도 3a는 결합 계수가 0.02인 전도성 루프의 출력 신호를 도시한다. 낮은 결합 계수일 때, 각각의 공진 회로의 자유 공간 공진 주파수로부터의 출력 신호의 주파수 이동은 매우 낮고, 각각의 공진 회로에 대응되는 진폭 또한 낮다. 도 3b는 결합 계수가 0.05인 전도성 루프의 출력 신호를 도시한다. 도 3c는 결합 계수가 0.1인 전도성 루프의 출력 신호를 도시한다.
도 3d는 결합 계수가 0.2인 전도성 루프의 출력 신호를 도시한다. 이 예에서, 각각의 공진 회로의 자유 공간 공진 주파수로부터의 출력 신호의 주파수 이동이 높아지고, 각각의 공진 회로에 대응되는 진폭 또한 커진다. 도 3e는 결합 계수가 0.3인 전도성 루프의 출력 신호를 도시한다. 도 3f는 결합 계수가 0.4인 전도성 루프의 출력 신호를 도시한다. 도 3g는 결합 계수가 0.5인 전도성 루프의 출력 신호를 도시한다. 도 3h는 결합 계수가 0.6인 전도성 루프의 출력 신호를 도시한다. 이 예에서, 각각의 공진 회로의 자유 공간 공진 주파수로부터의 출력 신호의 주파수 이동이 중요하다. 일부 실시예들에서, 결합 계수는 0.5로 제한된다.
일부 실시예들에서, 공지된 결합 계수를 갖는 출력 신호들은 정확한 측정을 제공하도록 보상될 수 있다. 일부 경우들에서, 결합 계수가 상대적으로 높은 경우, 예를 들어 0.5 초과인 경우, 하나의 공진 회로가 다른 공진 회로에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 경우에, 공진 주파수를 보상하여 정확한 측정을 제공할 수 있다. 일부 구현예들에서, 센서 공진 회로의 파라미터를 변경하는 환경 조건을 보상하는 것이 바람직할 수 있다. 일 예에서, 환경 조건은 센서 공진 회로에 대한 영향을 제거함으로써 보상될 수 있다. 보상 후에, 센서 공진 회로의 파라미터 변경에 의해 제2 환경 조건이 측정될 수 있다. 보상될 수 있는 환경 조건의 예들은 온도, 국부 유전 상수 변경, 센서 공진 회로들의 물리적 변경, 두 개 이상의 공진 회로들 간의 결합 변경, 주변 환경의 국부적인 전도율 변경 등을 포함한다.
도 4a는 두 개의 공진 회로들(420 및 430)과 결합된 전도성 루프(410)를 포함하는 RF 디바이스(400)의 개략도이다. 전도성 루프(410)는 저항(R6) 및 인덕터(L6)를 포함한다. 공진 회로(420)는 인덕터(L7), 저항(R7) 및 커패시터(C7)를 포함한다. 공진 회로(430)는 인덕터(L8), 저항(R8) 및 커패시터(C8)를 포함한다. 하나의 예에서, 컴포넌트들은 아래의 표 2에 열거된 값들을 갖는다. 인덕터(L7)는 보상될 환경 조건 변경으로 인하여 다양한 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 공진 회로들(420, 430)은 수직력의 인가 중에 공진 주파수 이동을 갖도록 설계된다. 수직력(압축)의 인가로, 공진 회로들의 공진 주파수는 인가된 수직력과의 공지된 관계에 따라 증가한다. 공진 회로들(420, 430)의 결합은 전도성 루프(410)의 존재에 의해 증가되고, 공진 회로들의 공진 주파수는 전도성 루프(410)에 결합된 판독기(도 4a에 도시되지 않음)에 의해 측정된다. 이 예에서, 공진 회로들의 기준선 공진 주파수는 인가된 수직력이 없는 상태에서 결정된다. 인가된 수직력은 각각의 기준선 값들로부터의 공진 주파수의 상대적인 이동 및 주파수 이동과 인가된 힘 사이의 공지된 관계에 의해 결정될 수 있다.
이 예에서, 표 2에 도시된 바와 같이, 네 개의 수직력이 공진 회로(420)에 인가되고, 어떠한 힘도 공진 회로(430)에 인가되지 않는다. 대안적인 예에서, 공진 회로(420)는 환경 조건 변화에 민감할 수 있고, 공진 회로(430)는 환경 조건 변화에 둔감할 수 있다. 이 예에서, L7의 인덕턴스는 각각의 시뮬레이션 인가된 힘에 대해 10%만큼 증가된다. 예상대로, 회로(430)의 시뮬레이션된 공진 주파수는 인덕턴스가 증가함에 따라 감소한다. 시뮬레이션 중에 L8은 일정하게 유지되었지만, 전도성 루프(410)에 의한 공진 회로들(420, 430) 간의 결합에 의해 야기되는 공진 회로(430)의 공진 주파수는 감소된다. 이러한 효과를 보상하고 제거하기 위해, 공진 회로(420)의 보정 계수 대 공진 주파수 이동이 사용될 수 있다. 이 예에서, 공진 회로(420)의 보정 계수는 회로 시뮬레이션에 의해 결정될 수 있거나 또는 모델링 및 실험 방법들을 포함하는 추가적인 방법들을 사용하여 결정될 수 있다. 도 4b는 표 2에 열거된 다양한 조건들 하에서 공진 회로들(420 및 430)의 공진 주파수를 도시한다. 표 2는 공진 회로(430)의 시뮬레이션된 공진 주파수, 공진 회로(420)의 주파수 이동에 기초하여 결정된 보정 계수 및 공진 회로(430)의 보정된 공진 주파수를 도시한다. 일부 경우들에서, 보정 계수는 기준선 주파수로부터의 주파수 이동에 비례할 수 있으며, 예를 들어, 개개의 조건 각각에 대한 주파수 이동의 0.8배일 수 있다. 표 2에 제공된 바와 같이, 공진 회로(430)에 어떠한 힘도 인가되지 않았기 때문에, 공진 회로(430)의 보정 주파수는 예상대로 일정하게 유지된다.
하나의 실시예에서, 인가된 수직력 또는 온도, 습기, 화학물질 존재 등과 같은 다른 환경 조건들이 공진 회로들 둘 모두에 적용될 수 있다. 보정 계수는 공진 회로(420)의 주파수 이동에 의해 결정될 수 있고, 보정 계수는 공진 회로(430)의 보정 공진 주파수 이동을 결정하는 데 사용될 수 있다. 공진 회로(420)의 공진 주파수 이동 및 공진 회로(430)의 보정 공진 주파수 이동으로부터, 두 공진 회로들 모두에 인가된 힘들은 주파수 이동과 인가된 힘 사이의 공지된 관계를 통해 결정될 수 있다.
[표 2]
Figure pct00003
일부 실시예들에서, RF 디바이스는 공진 회로들과 일체화되거나 연결되어 감지 디바이스가 되는 감지 소자(들)를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 감지 소자들은 환경 조건들에 응답성(responsive)이거나 민감할 수 있다. 일부 구현예들에서, 감지 소자는 환경 조건들에 응답하여 유전율, 투자율 및/또는 전기 전도율을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 감지 소자는 압력 변화에 응답하여 확대되거나 수축될 수 있다. 다른 예로서, 감지 소자는 수분 변동에 응답하여 그의 유전 특성을 변화시킬 수 있다. 이러한 감지 소자들의 예들은, 공진 회로의 커패시턴스 및/또는 인덕턴스가 변화되도록 커패시터 및/또는 인덕터 내에 배치될 수 있다.
도 5는 전도성 루프를 사용하는 감지 디바이스(500)의 하나의 실시예를 도시한다. 감지 디바이스(500)는 전도성 루프(510), 제1 공진 회로(525)와 일체화되거나 결합된 제1 감지 소자(527)를 갖는 제1 센서(520) 및 제2 공진 회로(535)와 일체화되거나 결합된 제2 감지 소자(537)를 갖는 제2 센서(530)를 포함할 수 있다. 감지 디바이스(500)는 본 명세서에 기술된 RF 디바이스의 구성들 중 임의의 하나를 사용할 수 있다. 일부 응용들에서, 제1 센서는 제1 위치에 배치될 수 있고, 제2 센서는 제1 위치와 상이한 제2 위치에 배치될 수 있어, 감지 디바이스(500)는 이들 두 위치들에 관련된 감지 신호들을 제공할 수 있다. 일부 응용들에서, 제1 센서(510)는 제1 센서(510)가 기준선 정보를 제공할 수 있도록 제1 감지 소자(527)를 포함하지 않을 수 있다.
실시예
공진 회로 조립체가 있는 전도성 루프
미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수한 3313 구리 포일(foil) 테이프를 사용하여 10.2 cm x 40.6 cm 전도성 루프를 조립하고, 오하이오 주 웨스터 빌(Westerville, OH)의 엘머 프로덕츠(Elmer's Products)로부터 입수한 X-ACTO X7761 30.5 cm x 45.7 cm 자기-치유 폴리비닐 클로라이드(PVC) 매트에 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수한 3M ScotchTM 373 패킹 테이프로 접착시켰다. 전기 전도성 루프를 생성하기 위해 구리 테이프를 모서리들에 납땜하였다. 13.9 ㎒의 공진 주파수를 갖는 5 cm x 5 cm 3M ISO RFID 태그를 일 단부의 전도성 루프 내에 배치하였다. 맞춤형의 2회선 1 cm 반경 구리 안테나를 이용해 미국 앨라배마주 헌츠빌 소재의 W4RT 일렉트로닉스(W4RT Electronics)로부터 입수한 변형 miniVNA PRO를 판독기로 사용하여, ISO RFID 태그의 반대 단부 상의 전도성 루프 내부 상에 배치하였다. 판독기와 ISO RFID 태그를 1.3과 33.0 cm의 거리로 이격시켰다. 임피던스의 실수부를 전도성 루프가 있거나 없는 거리 모두에 대해서 판독기와 RFID에 대한 주파수의 함수로 측정하였다. 결과는 표 3에 나타나 있다. miniVNA PRO의 출력 전력은 0 dBm이었다.
[표 3]
Figure pct00004
예시적인 실시예들
항목 A1. RF 디바이스로서,
폐쇄 전도성 루프, 및
복수의 공진 회로들을 포함하며, 복수의 공진 회로들의 각각은 유효 결합 계수를 가지고 전도성 루프에 전자기적으로 결합되고,
유효 결합 계수는 복수의 공진 회로들의 각각이 특유의 공진 주파수를 갖도록 상대적으로 낮은 절대값을 갖는, RF 디바이스.
항목 A2. 항목 A1에 있어서, 복수의 공진 회로들의 각각은 자유 공간에서의 제1 공진 주파수, 및 전도성 루프에 의해 변경된 제2 공진 주파수를 갖는, RF 디바이스.
항목 A3. 항목 A2에 있어서, 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수 간의 주파수 이동은 제1 공진 주파수의 10% 미만인, RF 디바이스.
항목 A4. 항목 A1 내지 항목 A3 중 어느 한 항목에 있어서, RF 디바이스는 복수의 신호들을 전파하도록 구성되며, 복수의 신호들의 각각은 복수의 공진 회로들 중 하나에 대응되는, RF 디바이스.
항목 A5. 항목 A1 내지 항목 A4 중 어느 한 항목에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.5 미만인, RF 디바이스.
항목 A6. 항목 A1 내지 항목 A5 중 어느 한 항목에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.4 미만인, RF 디바이스.
항목 A7. 항목 A1 내지 항목 A6 중 어느 한 항목에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.1 미만인, RF 디바이스.
항목 A8. 항목 A1 내지 항목 A7 중 어느 한 항목에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.05 미만인, RF 디바이스.
항목 A9. 항목 A1 내지 항목 A8 중 어느 한 항목에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.02 미만인, RF 디바이스.
항목 A10. 항목 A1 내지 항목 A9 중 어느 한 항목에 있어서, 복수의 공진 회로들의 각각은 인덕터 및 커패시터를 포함하는, RF 디바이스.
항목 A11. 항목 A10에 있어서, 인덕터는 전도성 루프에 전자기적으로 결합되는, RF 디바이스.
항목 A12. 항목 A10에 있어서, 커패시터는 전도성 루프에 전자기적으로 결합되는, RF 디바이스.
항목 A13. 항목 A10에 있어서, 인덕터는 안테나인, RF 디바이스.
항목 A14. 항목 A13에 있어서, 전도성 루프와 안테나는 일반적으로 동일 평면에 있는, RF 디바이스.
항목 A15. 항목 A13에 있어서, 전도성 루프와 안테나는 상이한 평면에 있는, RF 디바이스.
항목 A16. 항목 A13에 있어서, 전도성 루프는 일반적으로 제1 평면에 있고, 안테나는 일반적으로 제2 평면에 있으며, 제1 평면과 제2 평면 사이의 각도는 0 초과인, RF 디바이스.
항목 A17. 항목 A13에 있어서, 전도성 루프와 안테나는 서로 상이한 형상을 갖는, RF 디바이스.
항목 A18. 항목 A10에 있어서, 전도성 루프는 인덕터의 일부분에 갈바닉 연결되는, RF 디바이스.
항목 A19. 항목 A10에 있어서, 전도성 루프는 커패시터의 일부분에 갈바닉 연결되는, RF 디바이스.
항목 A20. 항목 A1 내지 항목 A19 중 어느 한 항목에 있어서, 복수의 공진 회로들 중 제1 공진 회로는 제1 회로 공진 주파수를 갖고, 복수의 공진 회로들 중 제2 공진 회로는 제2 회로 공진 주파수를 가지며, 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수 사이의 차이는 적어도 제1 공진 주파수를 제1 공진 회로의 품질 인자로 나눈 값인, RF 디바이스.
항목 B1. 센서 시스템으로서,
환경 조건들을 검출하도록 구성된 감지 유닛, 및
RF 회로를 포함하며, RF 회로는
폐쇄 전도성 루프, 및
유효 결합 계수를 가지고 전도성 루프에 전자기적으로 결합된 하나 이상의 공진 회로들을 포함하며, 하나 이상의 공진 회로들 중 적어도 하나는 감지 유닛에 전자기적으로 결합되고 감지 유닛으로부터 감지 신호를 수신하도록 구성되며, RF 회로는 감지 신호를 전송하도록 구성되는, 센서 시스템.
항목 B2. 항목 B1에 있어서, 감지 유닛은 복수의 감지 소자들을 포함하는, 센서 시스템.
항목 B3. 항목 B2에 있어서, 복수의 감지 소자들의 각각은 하나 이상의 공진 회로들 중 하나에 전기적으로 결합되는, 센서 시스템.
항목 B4. 항목 B3에 있어서, 복수의 감지 소자들의 각각은 출력 신호를 생성하며, 하나 이상의 공진 회로들 중 대응되는 하나는 출력 신호를 수신하고 출력 신호를 전송하도록 구성되는, 센서 시스템.
항목 B5. 항목 B1 내지 항목 B4 중 어느 한 항목에 있어서, 하나 이상의 공진 회로들의 각각은 자유 공간에서의 제1 공진 주파수, 및 전도성 루프에 의해 변경된 제2 공진 주파수를 갖는, 센서 시스템.
항목 B6. 항목 B5에 있어서, 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수 사이의 주파수 이동은 제1 공진 주파수의 10% 미만인, 센서 시스템.
항목 B7. 항목 B1 내지 항목 B6 중 어느 한 항목에 있어서, RF 회로는 복수의 신호들을 전파하도록 구성되며, 복수의 신호들의 각각은 하나 이상의 공진 회로들에 대응되는, 센서 시스템.
항목 B8. 항목 B1 내지 항목 B7 중 어느 한 항목에 있어서, 유효 결합 계수는 하나 이상의 공진 회로들의 각각이 특유의 공진 주파수를 갖도록 상대적으로 낮은 절대값을 갖는, 센서 시스템.
항목 B9. 항목 B8에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.5 미만인, 센서 시스템.
항목 B10. 항목 B8에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.4 미만인, 센서 시스템.
항목 B11. 항목 B8에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.1 미만인, 센서 시스템.
항목 B12. 항목 B8에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.05 미만인, 센서 시스템.
항목 B13. 항목 B8에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.02 미만인, 센서 시스템.
항목 B14. 항목 B1 내지 항목 B7 중 어느 한 항목에 있어서, 하나 이상의 공진 회로들의 각각은 인덕터 및 커패시터를 포함하는, 센서 시스템.
항목 B15. 항목 B14에 있어서, 인덕터는 전도성 루프에 전자기적으로 결합되는, 센서 시스템.
항목 B16. 항목 B14에 있어서, 커패시터는 전도성 루프에 전자기적으로 결합되는, 센서 시스템.
항목 B17. 항목 B14에 있어서, 인덕터는 안테나인, 센서 시스템.
항목 B18. 항목 B17에 있어서, 전도성 루프와 안테나는 일반적으로 동일 평면에 있는, 센서 시스템.
항목 B19. 항목 B17에 있어서, 전도성 루프와 안테나는 상이한 평면에 있는, 센서 시스템.
항목 B20. 항목 B17에 있어서, 전도성 루프는 일반적으로 제1 평면에 있고, 안테나는 일반적으로 제2 평면에 있으며, 제1 평면과 제2 평면 사이의 각도는 0 초과인, 센서 시스템.
항목 B21. 항목 B17에 있어서, 전도성 루프와 안테나는 서로 상이한 형상을 갖는, 센서 시스템.
항목 B22. 항목 B14에 있어서, 전도성 루프는 인덕터의 일부분에 갈바닉 연결되는, 센서 시스템.
항목 B23. 항목 B14에 있어서, 전도성 루프는 커패시터의 일부분에 갈바닉 연결되는, 센서 시스템.

Claims (15)

  1. RF 디바이스로서,
    폐쇄 전도성 루프, 및
    복수의 공진 회로들을 포함하며, 복수의 공진 회로들의 각각은 유효 결합 계수를 가지고 전도성 루프에 전자기적으로 결합되고,
    유효 결합 계수는 복수의 공진 회로들의 각각이 특유의 공진 주파수를 갖도록 상대적으로 낮은 절대값을 갖는, RF 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 공진 회로들의 각각은 자유 공간에서의 제1 공진 주파수, 및 전도성 루프에 의해 변경된 제2 공진 주파수를 갖는, RF 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수 간의 주파수 이동은 제1 공진 주파수의 10% 미만인, RF 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, RF 디바이스는 복수의 신호들을 전파하도록 구성되며, 복수의 신호들의 각각은 복수의 공진 회로들 중 하나에 대응되는, RF 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.5 미만인, RF 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 유효 결합 계수의 절대값은 0.1 미만인, RF 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 복수의 공진 회로들의 각각은 인덕터 및 커패시터를 포함하는, RF 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 인덕터는 전도성 루프에 전자기적으로 결합되는, RF 디바이스.
  9. 제7항에 있어서, 인덕터는 안테나인, RF 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 전도성 루프와 안테나는 상이한 평면에 있는, RF 디바이스.
  11. 제9항에 있어서, 전도성 루프와 안테나는 서로 상이한 형상을 가지는, RF 디바이스.
  12. 센서 시스템으로서,
    환경 조건들을 검출하도록 구성된 감지 유닛, 및
    RF 회로를 포함하며, RF 회로는
    폐쇄 전도성 루프, 및
    유효 결합 계수를 가지고 전도성 루프에 전자기적으로 결합된 하나 이상의 공진 회로들을 포함하며, 하나 이상의 공진 회로들 중 적어도 하나는 감지 유닛에 전자기적으로 결합되고 감지 유닛으로부터 감지 신호를 수신하도록 구성되며, RF 회로는 감지 신호를 전송하도록 구성되는, 센서 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 감지 유닛은 복수의 감지 소자들을 포함하는, 센서 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 복수의 감지 소자들의 각각은 하나 이상의 공진 회로들 중 하나에 전기적으로 결합되는, 센서 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 복수의 감지 소자들의 각각은 출력 신호를 생성하며, 하나 이상의 공진 회로들 중 대응되는 하나는 출력 신호를 수신하고 출력 신호를 전송하도록 구성되는, 센서 시스템.
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